计算机的工作原理（冯诺依曼体系）
Posted 爱敲代码的三毛
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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了计算机的工作原理（冯诺依曼体系）相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
文章目录
一、冯诺依曼体系
约翰·冯·诺依曼，可以说是计算机的祖师爷。被后人成为“现代计算机之父”
它提出了计算机制造的三个基本原则，即采用二进制逻辑、程序存储执行以及计算机由五个部分组成（运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备），这套理论被称为冯·诺依曼体系结构。
- CPU 中央处理器: 进行算术运算和逻辑判断.
- 存储器: 分为外存和内存, 用于存储数据(使用二进制方式存储)
- 输入设备:用户给计算机发号施令的设备.
- 输出设备: 计算机个用户汇报结果的设备
如果对于存储空间
磁盘 > 内存 > CPU
如果对于访问速度
CPU > 内存 > 磁盘
二、CPU的基本工作流程
CPU想必都不陌生，现在的电脑CPU已经到了 11 代了，这个 2.40GHz是什么意思呢。这其实是CPU的主频
粗略的说：CPU的主频就是时钟的震荡的每秒次数，可近似的看作每秒执行的指令数。简单的说就是主频决定了CPU的运算速度。
接下来，我们用一个从无到有的过程，一步步搭建一个 CPU 出来，希望大家可以借助这个过程，理解CPU、内存等计算机主要部件的工作原理。
1.逻辑门
电子开关 —— 机械继电器(Mechanical Relay)
通过电子开关，我们可以实现 1 位(bit) 的看似无用的逻辑运算。
2.门电路(Gate Circuit)
接下来，我们学习如何使用电子开关构建一些有用的部件 —— 门电路。可以实现 1 位(bit) 的基本逻辑运算。其实几个门电路非常好理解，Java的逻辑运算差不多。
1.非门
非门非常好理解，输入为 true 输出 false,输入false 则输出 true
2.与门
两个都为 true才输出true，否则输出false
3.或门
一个为 1则为1，两个为 false 则为false
4.异或门
通过非门与门和或门相结合就形成了异或门，相同为 false，不相同则为 true
这里的 true 和 false 在计算机里其实就是 1 和 0
3.算术逻辑单元 ALU（Arithmetic & Logic Unit）
ALU 是计算机中进行算数、逻辑运算的核心部件，是计算机的数学大脑.
说到运算我们首先想到二进制的运算，这个想必大家都了解，逢二进一嘛。
1.算术单元
算数单元，负责计算机里的所有数字操作，比如四则运算，当然它能做的远远不止这些。
半加器：
半加器就是通过一个与门和异或门，来计算两个 1位(bit)数的相加，既要考虑到和也要考虑到进位。
全加器：
全加器是通过两个半加器进行 3个1位(bit)的数 进行运算，同样要考虑计算出来的和是否要进位
加法器
通过1个半加器和7个全加器就能组成一个能计算 8个位 1位(bit) 的全加器。
图中的A和B就是输入的两个数的第几个bit位，同理 S 就是输出数的 bit 位
算术单元支持的操作当然远不止这些，通过继续组合逻辑门，算数单元可以做到加减乘除甚至更多的算术运算，但一个加法器作为演示已经足够了。
其实计算机只能做加法运算，都是通过加法器来实现的，因为计算机里存的都是补码，就是为了通过加法器来计算加减乘除运算，只不过更复杂，这里就不深究。
2.逻辑单元
逻辑单元主要用来进行逻辑操作，最基本的操作就是 与、或、非操作，但不只是一位(bit)数的比较
三、存储器
存储器分为内存和外存
内存：就是平时所说的电脑内存，也就相当于手机的运存。
外存：磁盘、U盘等。
内存比较而且贵，外存比较大但比较便宜。
内存有一个特点：它可以随机访问内存中任意地址的数据。
外存其实也有随机访问的能力，但开销较大，所以外存更适合顺序访问。
内存的访问速度非常快，外存的访问速度非常慢。
CPU上其实也能存储，CPU上的寄存器，内存更小速度非常的快，也更加的贵！
四、操作系统(OS)
操作系统是一个"搞管理" 的软件
1.管理硬件设备
2.管理软件资源(文件、进程)
所谓的”管理“一般值的是两个方面：描述+组织
1，进程
进程是操作系统中非常核心的一个概念，进程其实是计算机完成工作的一个"过程"
如图所示：进程就是一个正在运行的程序，要想让进程跑起来，就得给这个进程分配一定的系统硬件资源（CPU，内存，磁盘，网络带宽…）
关于进程，最核心的问题就是进程在系统中是如何被管理的，
管理 = 描述(PCB) + 组织
PCB：进程的控制块，这是一个C语言的结构体类似于Java中的类，一个结构体对象就对应一个进程
组织：使用一定的数据结构来组织，常见的作法就是使用双向链表
查看进程列表，本质上就是遍历操作系统内核中的这个链表，并显示其中的属性；
创建一个进程：本质上就是创建一个PDB对象，加入到内核的链表中
销毁一个进程，本质上就是把这个PCB对象从内核链表中删除掉
PCB中大概有那些属性呢？
pid:一个进程的身份标识，一个机器同一时刻，不可能有两个进程的 pid 相同
内存指针：描述了这个进程使用的内存空间是哪个范围（虚拟地址空间）
文件描述符表：描述了这个进程都打开了那些文件
系统中打开一个文件，其实就得到了一个"文件描述符"，这个文件描述符就像一个遥控器一样，文件数据是存放在磁盘上的，代码中操作磁盘数据不像操作内存数据那么方便，所以往往是借助这种遥控器的方式来操作
2.进程管理(重点)
我们电脑上有几百个进程在运行，但电脑只有1个CPU，而且一般都是4核或者8核的CPU，8核心相当于CPU有8个分身，那么这么多进程是怎么运行的呢？
进程这么多，CPU就那么几个分身。那么就涉及到进程调度了，电脑上的多任务系统其实就是基于进程调度这样的机制来完成的。
并发式执行
并发式执行：1个CPU运行多个进程，
由于CPU的运行速度极快，虽然CPU在一直进行切换，但是咱们坐在电脑前的用户，是感知不到这个切换的过程的。
并行式执行
并行式执行：多个CPU，运行多个进程
CPU1运行进程1，CPU2运行进程2.
进程1和进程2无论是微观还是宏观，都是同时执行的。
真实的计算机，真实的操作系统在进行进程调度的时候，是并发并行两种策略综合使用的。
3. 进程的属性
(1) 进程的状态
运行状态：进程正在运行
就绪状态：进程已经做好准备，随时准备被CPU调度执行
阻塞状态：进程在此状态不能执行，只有等阻塞该进程的事件完成后才能执行，比如编程时等待我们输入
(2) 进程的优先级
给进程安排不同的优先级，优先级越高的进程，更容易被CPU调度执行。
(3) 进程的上下文
记住进程上次运行到哪个指令了，方便下次调度的时候能够继续从这个位置来运行。
进程的上下文，主要是存储调度出CPU之前，寄存器中的信息(把寄存器信息保存到内存中)
等到这个进程下次恢复到CPU上执行的时候，就把内存保存好的数据恢复到寄存器中。（进程本身是感知不到自己啥时候被调度出CPU的）
(4) 进程的记账信息
记录进程在CPU上执行了多久了，用来辅助决定这个进程是继续执行，还是要调度出CPU了。
4. 虚拟地址空间
一个进程想要运行，就需要给它分配一些系统资源，其中内存就是一个最核心的资源。
物理地址：真实的内存的地址
假设：
0x100 - 0x700 这个内存分给 进程1
0x100 - 0x700 这个内存分给 进程2
0x100 - 0x800 这个内存分给 进程3
这里的地址都是操作系统抽象出来的虚拟地址
系统会自动的把这个虚拟地址转换成真实的物理地址
为什么要有虚拟地址空间？而不直接访问真实的物理地址？
目的就是为了一定程度的减少内存访问越界，带来的后果
比如:
进程1 的内存范围 0x100 - 0x700,如果我的代码尝试修改 0x701的地址的数据，这个操作就是越界访问（错误的操作）
如果这是一个真实的物理地址，这个修改就真的把 0x701给修改了,
恰好 0x701是进程2 要使用的内存地址，此时进程2 可能就出 bug 了，就会直接奔溃
但如果进程访问的是虚拟地址，也尝试修改0x701
此时系统就要针对 0x701 来查询页表，找到对应的物理地址
由于 0x701 已经是非法地址，在 页表中查不到了，系统就会明白，是在越界访问，于是就直接让这个进程出现崩溃（系统就会发送一个型号，这个信号通常会导致进程奔溃），防止影响到其它线程。
这样做，就让进程和进程之间相互影响的可能性变小了，隔离性增加了，进程也就更加稳定了。
虚拟地址空间：好处就是让进程之间独立性提高了，不至于相互影响，整个系统更加稳定。
缺点：两个进程需要相互配合的时候，沟通起来就困难了(进程间通信)
进程1 和 进程2 由于虚拟地址空间(进程的独立性)，导致很难相互进行访问对方的内存。
如果要想相互交流沟通，就需要使用一些特殊的手段,比如：文件，管道(是内核中提供的一个队列)，消息队列，信号量等
总结
进程的几个重要属性:
- 进程的状态
- 进程的优先级
- 进程的上下文
- 进程的记账信息
以上是关于计算机的工作原理（冯诺依曼体系）的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章